环智国际大厦电力监控系统的设计

发布时间：2012-03-24 15:37　　　类型：应用案例　　　人浏览

摘要：本文介绍了环智国际大厦电力监控系统的设计过程。通过安科瑞Acrel-2000电力监控组态软件、ACR220ELF网络电力仪表、M5-F微机保护装置、GZDW直流电源柜进行系统组网，完成了对上海天目西路147地块环智国际大厦中低压配电系统中安装的电力仪表的自动监控，提高了大厦配电系统运行的可靠性。
关键词：Acrel-2000；电力监控系统；环智大厦；智能仪表；ACR220ELH；应用

1 项目背景
环智国际大厦位于上海市闸北区天目西路与恒丰路交界处，是上海著名的不夜城商业中心，可以方便快捷地通过上海火车站的铁路、高铁和三条地铁线抵达上海各区乃至全国，还有上海到北京、天津、香港等地的直通快车。集高档办公、购物、时尚、餐饮为一体的环智国际大厦，是体验上海高品质多元都市生活的新地标。大厦拥有 5600多平方米的购物中心及32000多平方米的办公区域，由 29层高楼建筑和3层裙房组成。大厦楼层净高2.7米，水平垂直线槽桥架设计方便缆线网络自由铺设，智能化采暖、通风空调系统，有线电视、语音及数据干线连接保证入驻企业安全、舒适地工作。在商务办公之余更可眺望不夜城的繁华。
对于这样一个地标性的五星级综合性大厦，保证配电系统的安全可靠运行极为重要，为了对大厦内的中低压配电系统实现自动监控与管理，提高物业管理的水平，使用电力监控系统对配电网络中的智能设备进行集中监控就成了一种必然选择。

2 用户需求
      环智国际大厦配电系统主要包括：一个10KV高压配电室、2个0.4KV低压配电室和132个楼层配电箱。电力监控系统需要通过T1-T4变压器温度控制箱的RS485接口采集变压器绕组超温报警信号、铁芯超温报警信号以及传感器故障信号，并要具有声音报警功能。需要采集直流柜的电池充放电状态、电池组电压、电池组电流、电池房温度等信号，并通过直流屏信息表在界面上显示出来。
      能够与10KV M5-F微机保护装置进行通信，主要采集微机保护装置传来的电压、电流、功率、频率、功率因数、断路器状态、手车位置等电力参数。对于低压开关柜和楼层配电柜内安装的电力测量仪表，主要采集电压、电流、功率、电能等电力参数。对本工程中所有电力系统的运行参数进行自动采集与分析，并能够定时保存到数据库中，保存时间间隔要求电压、电流、功率为1分钟一次电能值为5分钟一次。
      需要采用简体中文Windows NT4.0/Window2000或者WindowsXP 操作系统软件，并应提供配套的图形化操作软件、报警管理软件、参数设置软件、历史数据记录与管理及报表生成软件、通讯服务软件和绘图软件以及数据库编程软件等。管理人员能够通过大厦地下一层监控值班室内的PC机对系统进行监控管理。
        对电力监控软件的要求如下：能在一个画面上进行所有的操作设定作业及对系统进行监控；可由鼠标的拖拽方式，简便的设定时间，也可在控制板上进行简便的设置；采用易操作的拖放方式，易于编辑各控制点的平面图；鼠标所指区域即显示相关断路器和群组的编号，以及显示该区的工作状态（开关）；提供方便的动态画面功能，使控制区域更加生动直观；可监测所有有关控制区的各项工作状态信息；可发出工作异常报警，并显示异常区域、异常工作点的具体地址；提供运行时间分析及历史记录分析功能；可收集一定的日志数据显示于画面或打印；提供对于各进线及馈线回路的电能量的查询和导出功能；可按照国际标准协议转发主要回路的电力参数给楼宇设备自控（BA）系统。
      对于环智国际大厦电力监控系统的硬件配置要求主要如下：主机处理器Intel Core2 Quad Qx6850，内存4096 DDR2，硬盘250GB；19” TFT LCD显示屏；配备A3激光打印机。

3 设计方案
3.1 主要设计参考标准

DL/T 814-2002 《配电自动化系统功能规范》

ISO/IEC11801 《国际综合布线标准》

GBJ232-2005 《电测量仪表装置设计技术规程》

DL5002-2003 地区电网电力调度自动化设计技术规范

IEC60870-5-101 　　远动设备及系统传输规约

IEC60870-5-104 　　远动网络传输规约

IEC60870-6-TASE2 　远动设备及系统计算机数据通信规约

GB50171-2004 《电气装置安装工程盘、柜及二次回路结线施工及验收规范》

DL/T721-2006 《配电网自动化系统远方终端》

GB/50198-2003 《监控系统工程技术规范》

GB50254～59-2002 《电气装置安装工程施工及验收规范》

GB/J63-2007 《电力装置的电测量仪表装置设计规范》

ISARP55.1 《数字处理计算机硬件测试》

DL/T630 《交流采样远动终端通用技术条件》

各回路通讯端口分配与监控回路确定
根据环智国际大厦高低压配电系统一次图确定需要进行监控的回路，并根据现场配电柜安装的实际位置合理确定通讯线缆的走向及通讯端口的分配，如下表所示（部分）：

序号	楼层	端口号	端口号	柜体编号	回路编号	回路名称
	28F	COM1	COM1-1	28PM2	28PM2	电表配电柜
2					28PM2-1	办公楼
3					28PM2-2
4					28PM2-3
5					28PM2-4
6				28PME1	28PME1	照明配电柜双电源
7				28PK1	28PK1	变频控制柜
8				28PM1	28PM1	照明配电柜
9	29F		COM1-2	29PM2	29PM2	电表配电柜
10					29PM2-1	办公楼
11					29PM2-2
12					29PM2-3
13					29PM2-4
14				29PME1	29PME1	照明配电柜双电源
15				29PK1	29PK1	变频控制柜
16				29PM1	29PM1	照明配电柜
17	30F		COM1-3	30PM1	30PM2	照明箱
18				30PME1	30PME1	照明配电箱
19				30PKE1-1	30PKE1-1	稳压泵控制箱
20				30PLE3/A	30PLE3/A
21				30PK1	30PM2-4	空调控制箱
22				30PKE1/A	30PME1	风机控制箱
23						电梯房
24	25F	COM2	COM2-1	25PM2	25PM2	电表配电柜
25					25PM2-1	办公楼
26					25PM2-2
27					25PM2-3
28					25PM2-4
29					25PM2-5
30				25PME1	25PME1	照明配电柜双电源
31				25PK1	25PK1	变频控制柜
32				25PM1	25PM1	照明配电柜
33						电梯房
34	26F		COM2-2	26PM2	26PM2	电表配电柜
35					26PM2-1	办公楼
36					26PM2-2
37					26PM2-3
38					26PM2-4
39				26PME1	26PME1	照明配电柜双电源
40				26PK1	26PK1	变频控制柜
41				26PM1	26PM1	照明配电柜
42	27F		COM2-3	27PM2	27PM2	电表配电柜
43					27PM2-1	办公楼
44					27PM2-2
45					27PM2-3
46					27PM2-4
47				27PME1	27PME1	照明配电柜双电源
48				27PK1	27PK1	变频控制柜
49				27PM1	27PM1	照明配电柜
50	23F	COM3	COM3-1	23PM2	23PM2	电表配电柜
51					23PM2-1	办公楼
52					23PM2-2
53					23PM2-3
54					23PM2-4
55					23PM2-5
56				23PME1	23PME1	照明配电柜双电源
57				23PK1	23PK1	变频控制柜
58				23PK2	23PK2	变频控制柜
59				23PM1	23PM1	照明配电柜
60	24F		COM3-2	24PM2	24PM2	电表配电柜
61					24PM2-1	办公楼
62					24PM2-2
63					24PM2-3
64					24PM2-4
65					24PM2-5
66				24PME1	24PME1	照明配电柜双电源
67				24PK1	24PK1	变频控制柜
68				24PK2	24PK2	变频控制柜
69				24PM1	24PM1	照明配电柜
70	21F	COM4	COM4-1	21PM2	21PM2	电表配电柜
71					21PM2-1	办公楼
72					21PM2-2
73					21PM2-3
74					21PM2-4
75					21PM2-5
76					21PM2-6
77				21PME1	21PME1	照明配电柜双电源
78				21PK1	21PK1	变频控制柜
79				21PK2	21PK2	变频控制柜
80				21PM1	21PM1	照明配电柜
81	22F		COM4-2	22PM2	22PM2	电表配电柜
82					22PM2-1	办公楼
83					22PM2-2
84					22PM2-3
85					22PM2-4
86					22PM2-5
87				22PME1	22PME1	照明配电柜双电源
88				22PK1	22PK1	变频控制柜
89				22PK2	22PK2	变频控制柜
90				22PM1	22PM1	照明配电柜

3.3 通讯线缆综合布线过程

环智国际大厦布线平面图

施工前的检查：
1．在工程开始之前，必须对设备间的建筑和环境条件进行检查，具备下列条件方可开工：
（1）设备间的土建工程已全部竣工，室内墙壁已充分干燥。设备间门的高度和宽度应不妨碍设备的搬运，房门锁和钥匙齐全；

（2）设备间地面应平整光洁，预留暗管、地槽和孔洞的数量、位置、尺寸均应符合工艺设计要求；

（3）电源已经接入设备间，应满足施工需要；

（4）设备间的通风管道应清扫干净，空气调节设备应安装完毕，性能良好；

（5）在铺设活动地板的设备间内，应对活动地板进行专门检查，地板板块铺设严密坚固，符合安装要求，每平米水平误差应不大于2mm，地板应接地良好，接地电阻和防静电措施应符合要求。

屏蔽双绞线传输通道施工：
      1. 金属管的敷设
      （1）金属管的要求
      金属管应符合设计文件的规定，表面不应有穿孔、裂缝和明显的凹凸不平，内壁应光滑，不允许有锈蚀。在易受机械损伤的地方和在受力较大处直埋时，应采用足够强度的管材。
      （2）金属管的切割套丝
      在配管时，根据实际需要长度，对管子进行切割。管子的切割可使用钢锯、管子切割刀或电动切管机，严禁用气割。管子和管子连接，管子和接线盒、配线箱的连接，都需要在管子端部进行套丝。套丝时，先将管子在管钳上固定压紧，然后在套丝，套完后应立即清扫管口，将管口端面和内壁的毛刺锉光，使管口保持光滑。
      （3）金属管的敷设
      金属管的暗设应符合下列要求：预埋在墙体中间的金属管内径不宜超过50mm，楼板中的管径宜为15-25mm，直线布管30mm处设置暗线盒。金属管连接时，管孔应对准，接缝应严密，不得有水泥、沙浆渗入。管孔对准、无错位，以免影响管、线、槽的有效管理，保证敷设线缆时穿设顺利。

双绞线线缆布线：
      1. 线缆布放的一般要求
      （1）线缆布放前应核对规格及位置是否与设计规定相符合；
      （2）布放的线缆应平直，不得产生扭绞、打圈等现象，不应受到外力挤压和损伤；
      （3）在布放前，线缆两端应贴有标签，标明起始和终端位置以及信息点的标号，标签书写应清晰、端正和正确；
      （4）信号电缆、电源线、双绞线缆、光缆及建筑物内其它弱电线缆应分离布放。
      （5）布放线缆应有冗余。在二级交接间、设备间双绞电缆预留长度一般为3-6m，工作区为0.3-0.6m。特殊要求的应按设计要求预留。

      2. 线缆牵引
      用一条拉线将线缆牵引穿入墙壁管道、吊顶和地板管道称为线缆牵引。在施工中，应使拉线和线缆的连接点尽量平滑，所以要采用电工胶带在连接点外面紧紧的缠绕，以保证平滑和牢靠。
      3. 双绞线连接和通讯服务器的端接
      双绞线端接的一般要求：线缆在端接前，必需检察标签颜色和数字的含义，并按顺序端接；线缆中间不得产生接头现象；线缆端接处必需卡接牢靠，接触良好；线缆端接处应符合设计和厂家安装手册要求；双绞电缆与仪表和通讯服务器连接时，应按照红色线接485+黑色线接485-的原则，不得颠倒和错接。

3.4 高压10KV配电部分设计

10KV配电一次图

      10KV配电间主要包括2路10KV进线柜、2个量电柜、2个避雷器柜、4个10/0.4KV变压器馈线柜。10KV配电间总共使用了8台M5-F微机保护装置。
      M5为通用型保护测控装置，采用大容量、资源冗余设计，适用于110KV及以下电压等级电网的保护、控制、测量和监视，可配置为线路、电容器组、电动机保护，变压器保护，备用电源自投等功能的数字微机继电保护控制装置。它们可用于不同的主接线方式，如单母线、双母线及多母线接线。保护功能也支持不同类型的电网，如中性点不接地系统、经消弧线圈接地系统和小电阻接地系统。M5还能应用于中型的三相异步电动机保护，以及用于无功补偿的并联电容器组的保护和控制。
      除了具有保护，测量，控制和状态监视功能之外，M5还提供支持IEC-61131-3图形可编程标准的PLC逻辑可编程功能。另外，M5可存储4组保护定值，组别切换功能使其快速方便地适应多种运行方式。M5支持RS485总线、PROFIBUS总线、光纤、以太网通信网络形态，以满足不同用户、不同工业现场、不同网络环境、不同规模的系统对通信和网络结构的要求。支持双网模式，并行或以热备用方式工作。从而进一步提高了通信的可靠性。可以使用IEC60870-5-103规约和Modbus RTU规约实现与上层设备的通信。

3.5 0.4KV低压配电部分设计（部分）

0.4KV T1变压器配电间一次图

0.4KV总进线部分选用ACR330ELH网络电力仪表。该仪表主要能够完成如下电参量的采集：三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率；四象限电能、复费率电能；THDu，THDi、2-31次各次谐波分量；电压波峰系数、电话波形因子、电流K系数、电压与电流不平衡度；电网电压电流正、负、零序分量（含负序电流）。该仪表还具有4DI+3DO，可以接入断路器分合闸信号；仪表的通讯接口为RS485，支持Modbus协议或DL/T645规约。
对于0.4KV的馈线回路选用了ACR220ELF网络电力仪表。该仪表主要具备如下功能：LCD显示、全电参量测量（U、I、P、Q、PF、F）；四象限电能计量、复费率电能统计、最大需量统计；4DI+2DO；RS485通讯接口、支持Modbus通讯协议。

系统结构设计
对于环智大厦电力监控系统由于楼层配电箱中电力仪表安装比较分散，表与表之间的距离通常在几十米到一百米之间。因此该项目设计在现场设备层，各柜体及楼层配电箱中安装的电力仪表之间的通讯连线采用485总线结构。
RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。 RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。

配电间485总线结构网络拓扑图

与楼宇设备自控系统之间数据交互设计
BA系统和本电力监控系统之间数据交互协议采用Modbus TCP协议，该协议的数据传输是通过以太网，因此BA系统和电力监控系统之间只需要通过一根网线连接即可。
环智国际大厦电力监控系统基于Acrel-2000电力监控组态软件平台进行开发设计。Acrel-2000电力监控组态软件具有数据转发组件，可以方便的将电力监控系统中实时数据库中的数据以Modbus TCP协议进行发送，楼宇设备自控系统可以通过该数据接口接收电力监控系统发送来的数据。在电力监控系统的转发设备配置界面，通讯方式要选择TCP/IP网络服务器模式，设置好本地IP地址和发送数据使用的端口号。

数据交换通讯协议格式

数据交互点表，数据类型和通道编号如下表所示：

变压器	电表编号	功能说明	变量类型	通道名称	寄存器名称	数据类型	寄存器地址
T1	1P1	T1总开关	SINGLE	读写4DUB0002	[4区]输出寄存器	32位无符号二进制	2
T1	1P4	1~3F商业租户照明小动力	SINGLE	读写4DUB0004	[4区]输出寄存器	32位无符号二进制	4
T1	1P5	应急负荷（常）	SINGLE	读写4DUB0006	[4区]输出寄存器	32位无符号二进制	6
T1	1P6-1	厨房冷库预留（备）	SINGLE	读写4DUB0008	[4区]输出寄存器	32位无符号二进制	8
T1	1P6-2	10KV配电所用电（常）	SINGLE	读写4DUB0010	[4区]输出寄存器	32位无符号二进制	10
T1	1P6-3	1#变电所用电（常）	SINGLE	读写4DUB0012	[4区]输出寄存器	32位无符号二进制	12
T1	1P6-4	4#变电所用电（常）	SINGLE	读写4DUB0014	[4区]输出寄存器	32位无符号二进制	14
T1	1P7	T1和T2母联柜	SINGLE	读写4DUB0016	[4区]输出寄存器	32位无符号二进制	16
T2	2P1	T2总开关	SINGLE	读写4DUB0018	[4区]输出寄存器	32位无符号二进制	18
T2	2P4-1	1~4F商业租户照明小动力	SINGLE	读写4DUB0020	[4区]输出寄存器	32位无符号二进制	20
T2	2P4-2	3F商业租户照明小动力	SINGLE	读写4DUB0022	[4区]输出寄存器	32位无符号二进制	22
T2	2P5	1#低压变配电站应急负荷（备）	SINGLE	读写4DUB0024	[4区]输出寄存器	32位无符号二进制	24
T2	2P6-1	B1~3F厨房冷库预留（常）	SINGLE	读写4DUB0026	[4区]输出寄存器	32位无符号二进制	26
T3	3P1	T3总开关	SINGLE	读写4DUB0028	[4区]输出寄存器	32位无符号二进制	28
T3	3P4	3~14F办公租户照明及小动力（奇数层）	SINGLE	读写4DUB0030	[4区]输出寄存器	32位无符号二进制	30
T3	3P5	16~29F办公租户照明及小动力（偶数层）	SINGLE	读写4DUB0032	[4区]输出寄存器	32位无符号二进制	32
T3	3P6-1	1#变电所空调（常）	SINGLE	读写4DUB0034	[4区]输出寄存器	32位无符号二进制	34
T4	4P1	T4总开关	SINGLE	读写4DUB0036	[4区]输出寄存器	32位无符号二进制	36
T4	4P4	3~14F办公租户照明及小动力（偶数层）	SINGLE	读写4DUB0038	[4区]输出寄存器	32位无符号二进制	38
T4	4P5	16~29F办公租户照明及小动力（奇数层）	SINGLE	读写4DUB0040	[4区]输出寄存器	32位无符号二进制	40
T4	4P6-1	1#变电所空调（备）	SINGLE	读写4DUB0042	[4区]输出寄存器	32位无符号二进制	42
T4	4P7	T3和T4母联柜	SINGLE	读写4DUB0044	[4区]输出寄存器	32位无符号二进制	44

参考文献

任致程、周中编著电力电测数字仪表原理与应用指南中国电力出版社 2007.4

本文地址：http://ca800.com/apply/d_1nrutga2l25gm_1.html

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